油田地面工程設(shè)計(jì)中3D打印技術(shù)的應(yīng)用
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快速成型技術(shù)（即3D打印技術(shù)）作為快速興起的一種新技術(shù)，在化學(xué)合成、組織工程、微流體、電子電路和設(shè)備等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但在我國尤其是在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用才剛剛起步[1]。對3D打印技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用，將是我國石油領(lǐng)域地面工程設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、產(chǎn)品模型展示等方面的一個(gè)革命性進(jìn)步。此類技術(shù)的日益成熟，將會對提升油田企業(yè)內(nèi)部技術(shù)管理水平、增強(qiáng)油田企業(yè)對外市場競爭力作出重要貢獻(xiàn)。
13D打印技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀
3D打印技術(shù)在制造行業(yè)勢頭正勁，市場需求的不斷擴(kuò)大使其價(jià)格走勢逐漸下滑，這也意味著3D打印機(jī)的成本越來越低。2013年3D打印在全球市場創(chuàng)造了30億美元的利潤，而在該產(chǎn)業(yè)剛剛起步的中國市場，竟占了全球總值近一成的比例。2014年，一家公司推出的新型3D打印機(jī)可用鋼作為打印材料，能夠打印出外形十分復(fù)雜的鋼制結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，這是傳統(tǒng)的制造方式無法實(shí)現(xiàn)的。
23D打印技術(shù)在油田地面工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展望
輸油管道是油氣集輸工藝的重要組成部分，其施工質(zhì)量、管道材質(zhì)、防腐措施等方面直接決定了油田的原油運(yùn)輸成本。以大慶油田為例，中俄原油管道漠-大線就是將俄羅斯的原油通過輸油管道直接輸送到東北地區(qū)，對比傳統(tǒng)的汽車、列車、海上運(yùn)輸原油的方式，管道運(yùn)輸具有相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。隨著3D打印機(jī)大型化、多樣化的發(fā)展，利用3D打印機(jī)直接打印輸油管道將成為現(xiàn)實(shí)。首先可以把3D打印機(jī)組裝在滑輪或軌道上，使3D打印機(jī)能夠直接在目標(biāo)位置打印輸油管道，然后利用金屬粉末先打印出管道截面，再利用保溫材料粉末打印中間的保溫層截面，接著用耐腐蝕的絕熱材料打印管道外層保護(hù)層，最后在管道截面內(nèi)側(cè)噴涂、粘合防腐材料粉末，通過這種方式將輸油管道一次性的層層打印出來，原油管道的鋪設(shè)就不再受鋼管長度、彎頭、焊接、施工隊(duì)伍專業(yè)水平等因素的制約。管道在使用期間會受到腐蝕、人為破壞等因素影響，縮短管道壽命，但如今的管道監(jiān)控方式卻不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)這些安全隱患，往往只有在漏出的原油已經(jīng)污染了環(huán)境或造成人員傷亡時(shí)，才能發(fā)現(xiàn)管道的泄露狀況。若想第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)管道金屬層已遭到破壞，則需讓管道擁有如同人類“神經(jīng)系統(tǒng)”一樣的感應(yīng)系統(tǒng)。利用3D打印機(jī)打印金屬管道截面的時(shí)候，可以在鋼管打印到一定厚度時(shí)，在其中增加一層薄薄的“智能金屬”材料，用于監(jiān)控管道的破損程度。這種金屬需要選用一種不耐原油腐蝕的金屬，將其包裹在管道的金屬層中，當(dāng)這層金屬遭到破壞時(shí)，會釋放出一種信號源作為破損預(yù)警，使衛(wèi)星能夠快速定位破損位置，并將數(shù)據(jù)直接傳到調(diào)度中心，調(diào)度中心即可根據(jù)破損點(diǎn)的位置迅速對安全隱患做出響應(yīng)，及時(shí)修補(bǔ)破損點(diǎn)，預(yù)防事故的發(fā)生。在找到管道破損點(diǎn)后，如何修補(bǔ)破損管道也是一個(gè)難題，因?yàn)楣艿赖男扪a(bǔ)、焊接問題同樣存在很多不穩(wěn)定因素。將管道換新是當(dāng)今比較安全的修補(bǔ)方式，但存在能源浪費(fèi)、運(yùn)輸成本高、新舊材料之間差異大等技術(shù)難題。而利用3D打印技術(shù)鋪設(shè)的管道，一旦發(fā)生破損預(yù)警，工程師可以先掃描破損位置管道的三維圖形，了解管道的破損面積，再根據(jù)三維軟件模擬生成修補(bǔ)破損點(diǎn)的三維模型，在固定好打印機(jī)后直接在破損位置重新打印管道破損截面，最終實(shí)現(xiàn)無縫修補(bǔ)，使輸油管道煥然一新。目前油田三元注入管道多使用PVC材質(zhì)，同樣可通過3D打印技術(shù)鋪設(shè)，消除管道連接點(diǎn)，增加管道的使用壽命。這種方式不僅節(jié)約環(huán)保，還大大的節(jié)省了人工成本和運(yùn)輸費(fèi)用，在自動化、信息化、機(jī)械化技術(shù)逐漸成熟的未來，3D打印技術(shù)將使原油管道從材料的選用到制造的工藝都發(fā)生巨大變化。
2.23D打印技術(shù)在工業(yè)建筑中的應(yīng)用
2014年一家公司使用3D打印機(jī)打印了多棟民用建筑。用于打印結(jié)構(gòu)件的材料混合了高標(biāo)號水泥、回收利用建渣和工業(yè)廢料，所有材料會用玻璃纖維加固。3D打印技術(shù)在工業(yè)建筑上的優(yōu)勢不僅僅體現(xiàn)在房屋的結(jié)構(gòu)和建筑形狀上，房屋的防水結(jié)構(gòu)也同樣可用3D打印技術(shù)來完成。打印機(jī)可以直接打印涂膜防水層，根據(jù)設(shè)計(jì)圖打印出的防水層避免了人工涂抹或偷工減料導(dǎo)致的涂層厚度不一致等問題。通過3D打印技術(shù)打印房屋還能有效的避免墻體裂縫問題。采用傳統(tǒng)的油田建筑建造方式，造出的建筑中門窗、管道等洞口會因約束應(yīng)力集中產(chǎn)生很多裂縫，嚴(yán)重影響建筑的安全性和持久性。而通過3D打印技術(shù)將建筑材料層層均勻的疊加，能夠大大減少約束應(yīng)力不斷增加所導(dǎo)致的裂痕，利用這種技術(shù)建造的工業(yè)建筑在效率、節(jié)能、環(huán)保、成本等方面的優(yōu)勢乃是傳統(tǒng)方式無法企及的。
3結(jié)語
3D打印技術(shù)作為一種新興的技術(shù)類型，所表現(xiàn)出來的廣闊應(yīng)用前景被普遍看好，許多國家紛紛出臺本國的3D打印發(fā)展規(guī)劃，布局3D打印產(chǎn)業(yè)。我國對于3D打印技術(shù)在油田地面工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用研究才剛剛開始，還存在許多亟待解決的問題，比如適合3D打印的金屬管道材料、工程建筑材料的研究，3D打印技術(shù)在油田地面工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用還有很長的路要走。但是毫無疑問的是，3D打印技術(shù)水平在未來將成為衡量世界頂級企業(yè)的新標(biāo)準(zhǔn)之一。
作者：于鴻胤 單位：大慶油田工程有限公司
